沥青混凝土路面机械化施工配置计划研究

摘要：本文通过利用沥青混凝土路面机械化施工配置模型，确定出了沥青混凝土拌和站的规模，通过沥青混凝土路面的施工工艺，以及车辆运输沥青混合料的最长时间和最短时间，确定出了本项目的自卸车最大需求量和最小需求量，为经验推定的施工机械配置计划提供了科学的数据支持，从而确保施工的准确性。

关键词：机械化施工配置计划研究

中图分类号：TE42 文献标识码：A

1、引言

刚果（布）2号公路二期项目（Mambili–Ouesso），道路改扩建工程位于刚果（布）北部刚果河盆地的热带雨林中，路线大至由南向北，起点Mambili桩号PK0，与2号公路一期工程终点相接。终点Ouesso桩号PK199，也是刚果（布）2号公路的终点。Mambili距刚果（布）首都布拉柴维尔约599km，Ouesso是刚果（布）北部边境城市，与喀麦隆接壤。路线全长199km，合同工期42个月。路面宽9米，土方50万方，底基层30万方，基层44万方，面层为5厘米厚的沥青混凝土，涵洞90余道，大桥1座，小桥2座。根据施工计划，目前B施工段已经进行到路面工程施工阶段，路面采用红土砾石底基层（20cm）+级配碎石基层（20cm）+沥青混凝土（5cm）路面形式。路面施工基本上以机械化施工为主，如何发挥机械效能，对于提高工程进度、控制施工成本、保证工程质量都具有非常重要的作用，这也是本文所要研究的主要问题。

2、经济施工速度的确定

根据经济学的相关理论，在公路工程的施工中，对于一个给定的工程项目，在工期保持不变的情况下，其机械化施工系统一旦组配好，其主体机械的生产能力和数量以及主要机械的数量就一般不再做调整。具体地说，就是沥青路面机械化施工系统的主体机械——沥青混凝土拌和机，主要机械——摊铺机和压实机械一旦选定，其数量就不再变化了，仅仅是主要机械的工作速度可能会根据实际工况会有相应的调整；系统中唯一可以随着施工的推进而不断变化的机种是运料车。因此，如何通过改变运料车的数量以匹配拌和机、摊铺机和压实机械等固定设备的规模，以提高工程进度，降低工程成本，便是生产规模研究的主要内容和目的。沥青混凝土施工生产规模主要是受边际收益递减率的影响，即在工程规模和工期保持不变的情况下，不断增加拌和机的生产能力，总是存在着一个临界点，超过这一点之后，边际效益将出现递减的趋势，直至出现负值；同样，在工程规模、工期和其他机械生产能力和数量都保持不变的情况下，不断增加可变投入要素——运料车的数量，总是存在着一个临界点，超过这一点之后，边际效益将出现递减的趋势，直至出现负值。在短期平均成本曲线中即为先下降而后又上升的“U”字形，如下图所示：

图1最佳拌和机生产率的U形曲线 图2最佳料车的U形曲线

其中： C——每吨沥青混凝土混合料的综合成本（吨/元）

T——总工期(天)

L——合同段长度(km)

G——拌和机理论生产能力（t/h）

N——料车的数量（辆）

G*——最佳的拌和机的生产率

N*——最佳料车数量

由此，我们可以得到以下两个结论：

结论 1．在工程规模和工期保持不变的情况下，总是存在着一个最佳的拌和站的生产率 G*与之对应。

结论 2．在工程规模、工期、工况和其它机械施工生产能力都保持不变的情况下，在运距恒定时，摊铺机和压实机械总是存在着一个最佳的工作速度及与之匹配的最优运料车数量N*。

在此，我们将这个G*称作经济生产能力，而与之相匹配的整个机群的生产能力称作经济施工生产能力。显然，此时按照经济施工生产能力进行施工，必然达到成本最低的目标并由此得出此工程对应的合理工期。若按标准台班8小时计，我们可以得到指导施工的经济施工速度，该速度仅随着运距的变化而变化。由此，我们得出一个推论：

推论 1．对于一个既定的工程项目，在工期一定的情况下，总可以找到其对应的经济施工生产能力；对应于该机群配置，有一个相应的经济施工速度的函数x=C(L)，表明经济施工速度随着运距的变化而变化，而对应于某个特定的运距，都有唯一的一个经济施工速度与之对应。

在理论上，经济施工速度应该是一个随着运距的变化而变化的函数，而实际施工中我们发现：当沥青混凝土路面机械化施工组织运行稳定时，经济施工速度随运距的变化并不大。主要原因是：我们的目标是保证主体机械——拌和机的生产率得到稳定的发挥，不管是摊铺机、压实机械速度的调整，还是运料车数量的改变，都是为了保证这一目标的实现。因此，只要我们调整适当，拌和机的实际生产率应该是一个比较稳定的值，进行动态调整远不足以影响每台班的作业量发生较大变化，自然经济施工速度也就是一个比较稳定的值了。

这样，在理论上我们证明了经济施工生产能力和经济施工速度的存在性和稳定性。下面，我们就将从技术上给出施工生产规模经济施工生产能力和经济施工速度的计算方法。

3、工程静态规模的确定

特定工程项目的静态规模主要从宏观角度提出机械的配置，根据机群单机性能指标，确定机群各机种数量的合理匹配关系，以保证路面质量、作业效率和施工成本的最佳组合，获得最高的综合经济效益。它并不直接用来指导施工，但它是在施工过程中进行动态调整的基础。因此，在宏观上主要是考虑2个极限值：完成工程所需要的机群的最大数量和最小数量，即最大料车数量和最小料车数量，以此来控制最后实际施工的范围。

3.1 沥青混凝土路面机械化施工生产系统示意图

如下图所示：沥青混凝土土路面机械化施工生产系统主要由两个子系统构成：即“拌和－运料－摊铺－空返”子系统和“摊铺－初压－复压—终压”子系统。该系统的理想工作状况是：当沥青混凝土拌和机刚拌和好一车料时，就有一辆汽车刚好到达拌和机处并装料；当摊铺机刚好需要进料时，就有一辆汽车刚好到达摊铺机处并立即卸料；沥青混凝土混合料摊铺后，压路机立即分别给予压实。

图3水泥稳定碎石基层机械化施工生产系统示意图

3.2 机群配置的基本原则

第一，机群中的各单机和所有工作过程都要满足主体机械——沥青混凝土拌和机的生产能力。

我们认为，在沥青混凝土路面施工系统中，主体机械是沥青混凝土拌和机。这是因为：在该系统中，所有机械都与混合料发生联系，拌和机拌制混合料、运料汽车运输混合料、摊铺机摊铺混合料、压路机压实混合料，混合料是联系机群中各机械的纽带，而拌和机是控制混合料生产的机械；另外，从各机械的使用费及对施工质量的影响来看，拌和机的使用费是各机械中最高的，沥青混凝土拌制质量的好坏直接影响到沥青混凝土路面质量的优劣。因此，我们在进行机群配置时，应使与拌和机相配套的各机种的工作容量、数量及生产率稍有储备，以充分发挥拌和机的生产率。

第二，后续机械的生产能力要略大于前导机械。

为了保证“沥青混合料”这个流的顺畅，不产生淤积，除了使各次要机械满足拌和机的生产能力以外，还要依照施工工艺上环环相扣的关系，使后续机械的生产能力略大于其相应的前导机械，即：摊铺机的生产能力要大于拌和机的生产能力，料车的生产能力要大于拌和机和摊铺机的生产能力，初压机的生产能力要大于摊铺机的生产能力，复压机的生产能力要大于初压机的生产能力，终压机的生产能力要大于复压机的生产能力。

第三，在技术上可行的前提下寻求经济上的最优化。

沥青混凝土路面施工中对温度的控制十分严格，其在各个工序时的温度在《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中都有明确规定，见下表：

表1热拌沥青混合料的施工温度(℃)

因此，温度控制是我们在配置机群时的一个强约束条件，凡是达不到规范要求的解一律舍去。

3.3各种机械的具体配置

3.3.1固定生产要素的初始配置

在施工生产规模中，固定生产要素是指：拌和机、摊铺机和各种压实机械，因为此时这几种机械的性能与数量一旦选定，就不再作调整。对于上述机械的初始配置思路如下：

1）拌和机：根据工期和工程量的大小确定出满足工期条件的拌和机的最小生产能力Gmin。

公式1

其中：

B ——单幅路面宽，m

D ——由既定工期折算出的实际可用的施工天数，天

γj ——沥青混凝土各层的容重，t/m3（j=1,2,3）（静态配置时取三层的均值，动态配置时取所施工层的实际值）

hj ——沥青混凝土摊铺机各层的一次摊铺厚度，cm（j＝1,2,3）（静态配置时取三层的均值，动态配置时取所施工层的实际值）

L—— 合同段总长度（km）

2） 摊铺机：原则一、二在此即指在沥青混凝土路面机械化施工中，拌和机每小时拌和多少吨，摊铺机每小时就至少应摊铺多少吨，由此来选择摊铺机的数量并选定工作速度。

公式2

其中：

M2——工作面的个数，即摊铺地点数

V2min——摊铺机的最小工作速度，m/min

G——确定出的拌和机的生产率，t/h

——路面面层三层的平均容重，t/m3

——路面面层三层的平均厚度，cm

上式按确定出的拌和机的技术生产率计，是因为实际上由于系统有不可避免的排队等待情况，使得拌和机的生产能力不可能百分之百的发挥，故按此最大值考虑，实际上就满足了原则一、二的要求。

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中关于摊铺机的相关规定：摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，不得随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少混合料的离析。摊铺速度宜控制在2～6m/min的范围内。因此，若上式求得的M2×V2min>6，这必然要求我们选用2点摊铺；反之，则选用1点或2点摊铺在技术上都是可行的，再根据经济评价指标可以确定具体选用 1 点还是 2 点。

对于每一个作业面是选用1台还是2台摊铺机，主要根据摊铺机一次摊铺的宽度与路面宽度的关系确定。当单台摊铺机一次摊铺的宽度大于单侧路面宽时，可以采用1台全宽摊铺或2台并行梯队摊铺，对于高速公路，推荐选用2台摊铺机并行摊铺，主要是为了避免由一台摊铺机全宽摊铺时造成的矿料离析、振捣力小以及压实不均。当然在实际中，在保证质量、速度、效益的前提下，采用什么手段、选取哪种方式，可以根据具体情况而定。而当摊铺机一次摊铺的宽度小于单侧路面宽时，由于接缝不易处理，则只能选用 2 台摊铺机并行摊铺，而这也是高等级公路中的常见方式。摊铺机的数量选定之后，就可根据经验，在满足上述要求的情况下，确定实际的摊铺速度V ，并将此值作为输入变量配置初压机及料车。

3)初压机：原则一、二在此即指拌和机每小时拌和多少吨，初压压路机每小时就至少应初压多少吨；摊铺机每小时摊铺多少吨，初压压路机每小时就至少应初压多少吨，来选择初压机的工作速度与数量。故有：

公式3

且满足：

公式4

其中：

m3——每个摊铺地点的初压机的台数（台）

V 3min——初压机的最小工作速度，m/min;

V2——确定出的摊铺机的工作速度，m/min；

B3——初压压路机一次碾压宽度，m；

b3 ——初压压路机碾压时的重叠宽度，m；

M3 ——同一地点所需的初压遍数

若求出的m3×V3min大于表2中初压机的行驶速度范围上限，则必须选用2台初压机；反之，选用1台即可。同理，在满足上述要求的情况下，确定实际的初压速度V，并将此值作为输入变量配置复压机。

表2压路机压实速度单位：km/h

4)复压机：原则一、二在此即指拌和机每小时拌和多少吨，复压压路机每小时就至少应复压多少吨；初压机每小时初压多少吨，复压压路机每小时就至少应复压多少吨，来选择复压机的工作速度与数量。故有：

公式5

且满足：

公式6

其中：

m4——每个摊铺地点的复压机的台数（台）

V 4min——复压机的最小工作速度，m/min;

V3——确定出的初压机的平均工作速度，m/min；

B4——复压压路机一次碾压宽度，m；

b4——复压压路机碾压时的重叠宽度，m；

M4——同一地点所需的初压遍数

若求出的m4×V4min大于表1中复压机的行驶速度范围上限，则必须选用2台复压机；反之，选用 1 台即可。同理，在满足上述要求的情况下，确定实际的复压速度V4。

5)终压机：原则一、二在此即指拌和机每小时拌和多少吨，终压压路机每小时就至少应复压多少吨；复压机每小时复压多少吨，终压压路机每小时就至少应终压多少吨，来选择终压机的工作速度与数量。故有：

公式7

且满足：

公式8

其中：

m5——每个摊铺地点的复压机的台数（台）

V 5min——复压机的最小工作速度，m/min;

V4——确定出的初压机的平均工作速度，m/min；

B5——复压压路机一次碾压宽度，m；

b5——复压压路机碾压时的重叠宽度，m；

M5——同一地点所需的复压遍数

若求出的m5×V5min大于表1中复压机的行驶速度范围上限，则必须选用2台复压机；反之，选用 1 台即可。同理，在满足上述要求的情况下，确定实际的复压速度V5。

3.3.2可变生产要素的初始配置

如前所述，在施工生产规模中，可变生产要素是指运料汽车。在静态规模里，我们考虑的是工程所需要的最大料车数量和最小料车数量2个极限值，以此来控制最后动态规模的范围。这2个极限值由料车的最大和最小运距决定，体现在各自一个循环所化时间的不同。

原则一、二在此即指拌和机每小时拌和多少吨，运料汽车每小时就至少应运输多少吨；摊铺机每小时摊铺多少吨，运料汽车每小时就至少应运输多少吨，由此分别选择最大和最小运距时各自所需料车数量Nmax和Nmin：

公式9

且满足：

公式10

其中：

G0——料车的额定载重量，t；

T0d——料车装料、运料、卸料、返回一个工作循环的最大时间，min；

T0x——料车装料、运料、卸料、返回一个工作循环的最小时间，min；

Nmax——所需的最大的料车数量，辆

Nmin——所需的最少的料车数量，辆

3.3.3技术约束——沥青混凝土路面施工工序对拌和料温度的要求

沥青混凝土拌和料的技术特性——温降控制是影响施工质量的关键因素,在《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中有着严格的规定，正因为如此,该特性在技术上控制着路面机械化施工系统现场布局、机群配置及工艺流程的确定。在确定经济施工生产能力、合理工期的决策中,必须考虑沥青混凝土拌和料技术特性的影响,以保证决策是在技术上可行前提下的经济上的最优,从而确保工程的质量目标得以实现。

沥青混凝土是采用高稠度的沥青作为结合料,以不同规格的碎石作为骨料,经高温加热、强制拌和、强制摊铺并碾压而成。在高速公路沥青混凝土路面机械化施工中,沥青拌和料的生产通常采用厂拌法,在拌和站先拌制好混合料,再采用料车运至摊铺地点。因此,为了便于施工和保证施工质量, 《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中规定了沥青路面各道施工工序的温度控制要求,见表1所示。

影响沥青拌和料的温度损失不外乎运输时间和大气温度两个主要因素。沥青拌和料的温度在运输过程中的损失(温降),通常与料车在运输途中的运输时间成正比关系,运输时间越长,温降越大；而大气环境温度对沥青拌和料的温度影响,则主要体现在沥青拌和料的摊铺——初压——复压——终压阶段。为了保证沥青拌和料在这一阶段的温度要求,拌和料出料温度在规定范围内可随大气环境温度的变化而变化。若无论怎样调整出料温度都无法满足要求,则说明此时的机群配置是不合适的,必须对机群配置做相应调整。

3.3.3 机群的最佳配置和各技术经济指标的求解

经过以上的初始配置，我们可以根据既定的技术经济指标对其进行评价，通过不断变化料车数量来找出对应于初始机群配置的最佳料车数量及相应的成本。然后，逐渐增大拌和机的生产能力，重复上述步骤就可以找出相应的机群配置和成本。这样，我们就找到了对应于不同生产能力的拌和机的最佳机群配置，在所有这些最佳配置中在选取成本最低的，必然就是我们所希望的与该工程规模相应的经济生产能力，经济施工生产能力和经济施工速度。值得说明的是：在每一次的组配过程中，都以沥青混合料各阶段的温度为硬约束条件，凡是不合要求的一律重新输入初值，首先靠改变混合料的出料温度，当出料温度己经到达极限值无法再改时，就应舍去此时的机群配置，调整后再计算。

4、实例应用

我刚果（布）2号路二期项目B施工段全长约80公里，路面设计为20cm红土砾底基层+20cm级配碎石基层+5cm沥青混凝土面层，路面宽度9米，由于受到雨季影响，施工周期较短，每年满足沥青混凝土面层施工的时间约为6个月左右，取180天，目前施工部有沥青混凝土拌和站一座（生产能力60-80t/h），根据试验路段和现场的相关数据，代入公式1-10中，计算得最佳生产规模为，拌和站的生产能力为110t/h，摊铺机选用1台，摊铺速度选为2m/min，初压压路机1台（双钢轮），复压压路机1台（胶轮压路机），终压压路机1台（与复压压路机用同一台），自卸车最多数量6辆，最少数量为3辆。在实际的施工工程中，由于目前的拌和站规模小于最佳生产规模，于是采取了拌和站提前拌和，增加运料车辆，并考虑到交通不能太长时间中止的影响和防止车辆发生排队现象，对自卸车数量进行了调整，目前车辆为8辆，基本满足施工要求。

5、结论

通过利用计划配置模型，结合现场数据，较好的确定了沥青混凝土路面的施工规模，确定了拌和机的工作效率，为施工中的动态控制机械配置提供了有效范围，为以往的经验施工方案提供了科学的数据支持。在实际施工过程中，要根据运距的变化不断调整改变运料车的数量，由于动态调整机械配置，工作量巨大，还需要进行进一步的研究，并通过计算机进行计算和优化，将是下一步的研究方向。

参考文献：

[1].郭小宏. 高等级公路沥青混凝土路面机械化施工组织与机械综合作业定额应用新技术重庆市科委重点科技项目. 2000.2

[2].廖正环. 公路施工与管理. 人民交通出版社. 2000.3

[3].廖正环. 郭小宏. 刘燕。高速公路机械化施工与组织管理.第一版.人民交通出版社.2001.7

[4].卢亦昭. 道路施工机群资源配置和计划调度——沥青混凝土路面施工生产规模研究.2003.3

[5].交通部公路科学研究所.公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）.人民交通出版社.2005

[6].中国路桥工程有限责任公司.刚果（布）2号国道Mambili-Ouesso路段改建和油面工程设计文件.2012.5